Tema 61A – Circuitos hidráulicos y neumáticos

Tema 61A – Circuitos hidráulicos y neumáticos

INDICE

1 INTRODUCCIÓN. 2

2 CIRCUITOS HIDRÁULICOS. 3

2.1 GENERALIDADES. PROPIEDADES FISICAS. 3

2.1.1 Características de los fluidos. 3

2.1.2 Principios y fórmulas básicas en hidráulica. 4

2.2 ELEMENTOS COMPONENTES DE LOS CIRCUITOS NEUMÁTICOS E HIDRAULICOS. 6

2.2.1 Bomba hidráulica. 7

2.2.2 Deposito de aceite. 9

2.2.3 Válvula de control direccional. 9

2.2.4 Actuador. 12

2.2.5 Válvula de control de flujo ó reguladoras de caudal. 13

2.2.6.- Válvula de reguladora de presión ó sobrepresión. 14

2.2.7 Accesorios. 14

3 CIRCUITOS NEUMÁTICOS. 16

3.1 EL AIRE EN LOS CIRCUITOS NEUMÁTICOS. 17

3.1.1 Las leyes que se aplican en neumática son: 17

3.2 ELEMENTOS COMPONENTES DE LOS CIRCUITOS NEUNATICOS. 17

3.2.1 COMPRESORES. 18

3.2.2 Refrigerador Posterior 18

3.2.3 DEPOSITO DE AIRE COMPRIMIDO (Funciones) 19

3.2.4 SECADOR DE AIRE. 19

3.2.5 FILTROS:(FUNCIONES) 20

3.2.6 Red de distribución de aire. 20

3.2.7 Equipo tratamiento aire o unidad de mantenimiento. 21

3.2.8 Otras Válvulas. 21

4 SIMBOLOGIA DE LOS CIRCUITOS. 22

4.1 Esquemas neumáticos e hidráulicos. Normas de representación. 23

5 ELEMENTOS DE CONTROL Y AUTOMATISMOS. 24

5.1 CONTROLES SENCILLOS. 24

5.2 CONTROLES AUTOMÁTICOS Y SEMIAUTOMÁTICOS. 26

5.3 CONTROLES CON ELECTROHIDRÁULICA Ó ELECTRONEUMÁTICA. 27

6 DISEÑO DE CIRCUITOS NEUMÁTICOS-HIDRÁULICOS. 28

6.1 CONOCIMIENTOS PREVIOS. 28

6.1.1 Secuencia de movimientos. 28

6.1.2 Diagrama de movimientos. 28

6.1.3 Diagramas de señales de mando. 30

6.2 MÉTODO DE RESOLUCIÓN DE SECUENCIAS NEUMÁTICAS POR ELSISTEMA DE CASCADA. 32

6.2.1 DESARROLLO DEL METODO.. 32

6.3 GRAFCET (Grafico Funcional de Control de Etapas y Transiciones) 38

7 CONCLUSIÓN. 39

8 BIBLIOGRAFIA. 40

1 INTRODUCCIÓN

¿Que son los circuitos hidráulicos y neumáticos? ¿Cuáles son sus componentes? ¿Que aplicación tienen? . . . En el desarrollo de este tema se darán respuesta a estas preguntas.

Empezaremos definiendo la hidráulica ya que es la ciencia en la que se basan los circuitos hidráulicos.

“La hidráulica es la ciencia que estudia las leyes de equilibrio y movimiento de los líquidos”

Los sistemas hidráulicos transmiten fuerzas y movimientos por medio de líquidos, siendo su aplicación: máquinas, máquinas herramientas , vehículos, grúas, prensas…

Los circuitos neumáticos se basan en la neumática.

“La neumática es la ciencia que estudia la aplicación del aire comprimido a presión”

Actualmente se esta extendiendo mucho el uso de los circuitos neumáticos e hidráulicos, no sólo a nivel industrial, sino también a nivel de uso doméstico ( apertura de puertas de garaje, etc) debido a su fácil manejo y aplicación.

Ambos tipos de circuitos son muy parecidos, teniendo muchos elementos comunes, variando algunos debido al tipo de fluido que se utiliza: liquido en los hidráulicos y aire en los neumáticos.

En este tema estudiaremos los elementos, construcción, elementos de control, y aplicaciones de cada tipo de circuito.

2 CIRCUITOS HIDRÁULICOS

El ámbito de aplicación de los circuitos hidráulicos es muy grande, los podemos encontrar en:

Vehículos (Frenos, direcciones asistidas, basculación de carga, lubricación).

Grúas excavadoras

Prensas.

Aviones y barcos.

Máquinas de inyección y soplado de plástico…….

Las principales ventajas de estos circuitos son:

Gran multiplicación de la fuerza (grúas).

Regulación de la velocidad sin escalonamiento.

Gran precisión de mando y ajuste.

Posibilidad de salvar grandes distancias entre la unidad de accionamiento y la unidad de trabajo.

Arranque desde parada con carga máxima.

Antes de comenzar con los circuitos hidráulicos, veremos una serie de conceptos previos.

2.1 GENERALIDADES. PROPIEDADES FISICAS

2.1.1 Características de los fluidos.

Entendemos por fluidos a los cuerpos cuyas moléculas, por gozar de gran movilidad entre ellas, hacen posible que estos se adapten espontáneamente a la forma del recipiente que los contiene. Según su estado físico se dividen en dos categorías: gases y líquidos; los primeros y en concreto el aire son empleados en neumática, y los últimos son los empleados en los circuitos hidráulicos.

El tipo de líquido a emplear vendrá fijado por el tipo de circuito que necesitemos, y aunque al principio se utilizaba agua, el líquido más empleado actualmente en la mayoría de las instalaciones es el aceite mineral . Ahora veremos cuales son las características más importantes de los aceites.

Viscosidad.- Es el frotamiento interior entre las moléculas del aceite, esta propiedad sólo se manifiesta en el transcurso del movimiento del líquido dando lugar a una resistencia que será tanto mayor cuanto mayor sea la viscosidad del aceite.

La viscosidad se mide en Europa en grados ENGLER (ºE) y como se modifica con la temperatura, su valor se da indicando a que temperatura se ha medido la viscosidad.

Clasificación S.A.E. Los aceites se clasifican en función a variación de la viscosidad con la temperatura, existiendo una para aceites de motor (10W 20W. .10, 20… a mayor nº, mayor viscosidad) y otra para aceites de ejes de transmisiones con números más altos (75, 80, 90,140, 250).

Índice de viscosidad .- Sirve para dar la variación de densidad de un líquido con los cambios de la temperatura . Si un líquido se hace muy denso a temperaturas bajas y muy fluido a temperaturas altas tiene un índice de viscosidad muy bajo.

2.1.2 Principios y fórmulas básicas en hidráulica.

El principio fundamental que rige los sistemas hidráulicos es el de Pascal que dice:

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“La presión ejercida en un punto cualquiera de una masa líquida se transmite íntegramente y por igual en todas direcciones”

La Presión ejercida por un líquido es la Fuerza por unidad

de Superficie . Figura 1

P = Presión en Kg./cm2.

F = Fuerza en Kg.

S = Superficie en cm2.

Multiplicación de la fuerza aplicada. Si tenemos dos cilindros de diferente tamaño, y aplicamos una fuerza en el más pequeño, este al transmitir la misma presión, provocará una fuerza mayor en el cilindro mayor según la figura 2

Figura 2

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Potencia hidráulica. Es el esfuerzo necesario para mover una Instalación (potencia del motor de la bomba).

W = Potencia necesaria en CV.

P = Presión en Kg./cm2.

Q =caudal de la bomba en l/m

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η = Rendimiento de la instalación

El grupo generador de presión Fig. 3 esta

formado por: 1 Deposito, 2 Tapa, 3 Motor

Eléctrico, 4. Bomba, 5 Filtro de aspiración,

6 Nivel óptico, 7 Tapón de llenado, 8 Orificio

de purga, 9 Válvula limitadora de presión,

10 Manómetro.

Velocidad de circulación (V). Es la velocidad a

que se mueve el líquido dentro de la tubería de la instalación.

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V = metros (m) / segundo (s).

S = Sección interior de la tubería cm2 (clip_image013)

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Pérdida de carga o caída de presión. Es la

disminución de presión que experimenta un

liquido al circular por un conducto.

l = longitud del tubo en metros.

d = peso especifico en Kg / litro.

D = diámetro de la tubería en cm.

n = viscosidad cinemática en cm2/s (Stokes)

obtenida de la fórmula:

º E = Grados Engler

2.2 ELEMENTOS COMPONENTES DE LOS CIRCUITOS NEUMÁTICOS E HIDRAULICOS.

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La estructura de bloques correspondiente a una instalación hidráulica responde a siguiente esquema:

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En ocasiones el motor eléctrico se sustituye por un motor de combustión.

La bomba se encarga de generar la presión de trabajo con el caudal requerido por los elementos de trabajo.

Los elementos de transporte, tuberías y racores, se encargan de la conducción del fluido hasta el lugar de consumo.

Por último los elementos de trabajo son los actuadores, tanto motores como cilindros. Para su correcto funcionamiento en el momento adecuado se encuentran elementos de regulación y control (válvulas)

Los componentes de una Instalación hidráulica básica Fig. 4 son:

  1. Bomba hidráulica.
  2. Depósito de aceite.
  3. Válvula de control direccional.
  4. Válvula de control de flujo.
  5. Actuador (cilindro hidráulico ó motor).
  6. Válvula de reguladora de presión ó sobrepresión.

Vamos ha ver estos componentes del circuito hidráulico por separado.

2.2.1 Bomba hidráulica.

Es el elemento principal del circuito, se encuentra accionado por el motor y aspira

el fluido al producir vacío, impulsándolo con una cierta presión hacia una dirección determinada.

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A continuación describiremos los tipos de bombas más utilizadas, y haremos una clasificación atendiendo las diferentes características de las mismas:

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Atendiendo el sentido de giro la bombas pueden ser de dos tipos reversibles e irreversibles. Esto es pueden girar en dos sentidos o en uno solo. Así si tomamos una bomba que gira en un solo sentido y le hacemos al motor eléctrico que va acoplado ha ella girar al revés dicha bomba se rompe.

Vamos ha ver su simbología Fig. 5:

1 = Bomba irreversible

2 =Bomba reversible

3 = Compresor de aire comprimido.

La punta de la flecha rellena de negro indica que es hidráulica, y la flecha hueca significa neumática.

Atendiendo el caudal .- Pueden ser de caudal constante (desplazamiento fijo), que son las más utilizadas. En estos casos como la bomba esta movida por el motor eléctrico y este gira ha una velocidad constante el caudal impulsado por la bomba es fijo. De caudal variable (desplazamiento variable) se utilizan en circuitos donde es preciso trabajar ha distintos caudales ya sea para aumentar o disminuir algunos movimientos de las máquinas. En estos casos y aunque el motor eléctrico gira a velocidad constante, dichas bombas poseen un dispositivo regulador (compensador hidráulico, volante, servocontrol) que hace que varié la cantidad de aceite impulsado.

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Vamos ha ver su simbología Figura 5 y 6:

Figura 5

1 = Bomba irreversible de caudal constante

2 =Bomba reversible de caudal constante

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Figura 6

1 = bomba irreversible de caudal variable

2 =Bomba reversible de caudal variable

Atendiendo la forma constructiva.- Pueden ser:

Bomba de engranajes (Figura 7): Es la más económica y de construcción mas sencilla. Se suele emplear en instalaciones cuya frecuencia de trabajo no es constante, y no se necesitan grandes presiones (< 175 Kg/cm2). Su rendimiento es bajo, y suelen ser de caudal fijo:

Consta de una carcasa y dos ruedas dentadas una de las cuales es movida por el motor eléctrico. Posee una cámara de aspiración (zona verde) y una cámara de impulsión (aceite a presión) zona roja.

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Bomba de paletas (Figura 8):

El principio de funcionamiento es el siguiente, un rotor ranurado esta acoplado al eje de accionamiento y gira en el interior de un anillo ovalado. Dentro de las ranuras del rotor, están colocadas las paletas, las cuales, siguen la superficie interna del anillo, debido a la presión que el aceite ejerce sobre estas y también debido a la fuerza centrifuga. El aceite entra en la bomba debido al vacío parcial que esta hace (zona verde) y sale impulsado por las paletas (zona roja).

Cuando las paletas se desgastan se cambian junto con el rotor (cartucho). Estas bombas tienen un buen rendimiento, son caras y se usan en máquinas de servicio continuo. Un campo de aplicación importante es en las máquinas de inyección de plástico.

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Bomba de pistones (Figura 9):

Todas las bombas de pistones funcionan según el principio de un pistón, moviendose alternativamente dentro de un orificio, aspira fluido al retraerse y lo expulsa en su carrer ra hacia delante.

Los dos diseños básicos son radial y axial; ambos están disponibles con desplazamiento fijo y variable. Una bomba radial tiene los pistones dispuestos radialmente en un bloque de cilindros o barrilete, mientras que las axiales (Figura 9) los tienes paralelos entre sí y con el eje de barrilete. Son bombas muy eficientes y de larga duración.

2.2.2 Deposito de aceite.

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El diseño del depósito se hace para que cumpla varias funciones:

Sirva de almacenamiento del fluido requerido por el sistema

Debe tener espacio para que el aire se separe del fluido.

Debe permitir que los contaminantes del aceite se sedimenten.

También de disipar el calor generado por el sistema.

Construcción y tamaño del deposito.- Como regla general se toma:

Tamaño del tanque (litros) = Caudal de la bomba (litros / minuto) x 2 ó 3

A veces cuando hay problemas de espacio y el depósito se hace más pequeño, para enfriar el aceite se instala en el mismo, un equipo refrigerador de aceite.

2.2.3 Válvula de control direccional.

Las válvulas ( Figura 11) modulan las fases de trabajo de los elementos de trabajo; Son elementos que mandan o regulan la puesta en marcha, el paro y la dirección, así como la presión o el caudal del fluido enviado por una bomba hidráulica o almacenado en un depósito. En lenguaje internacional, el término “válvula” o “distribuidor” es el término general de todos los tipos tales como válvulas de corredera, de bola, de asiento, grifos, etc.

Esta es la definición de la norma DIN/ISO 1219 conforme a una recomendación del CETOP (Comité Européen des Transmissions Oiéohydrauliques et Pneumatiques).

Según su función las válvulas se subdividen en 5 grupos:

1. Válvulas de vías o distribuidoras  

4. Válvulas de caudal

2. Válvulas de bloqueo 

5. Válvulas de cierre

3. Válvulas de presión

 

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Válvulas distribuidoras

Estas válvulas son los componentes que determinan el camino que ha de tomar el fluido de una a otra parte del circuito.

Representación esquemática de las válvulas ( Fig. 12 )

Para representar las válvulas distribuidoras en los esquemas de circuito se utilizan símbolos; éstos no dan ninguna orientación sobre el método constructivo de la válvula; solamente indican su función.

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Las posiciones de las válvulas distribuidoras se representan por medio de cuadrados.
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La cantidad de cuadrados yuxtapuestos indica la cantidad de posiciones de la válvula distribuidora.
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El funcionamiento se representa esquemáticamente en el interior de las casillas (cuadros).
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Figura 12

Las líneas representan tuberías o conductos. Las flechas, el sentido de circulación del fluido.
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Las posiciones de cierre dentro de las casillas se representan mediante líneas transversales.

La unión de conductos o tuberías se representa mediante un punto.

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Las conexiones (entradas y salidas) se representan por medio de trazos unidos a la casilla que esquematiza la posición de reposo o inicial.

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La otra posición se obtiene desplazando lateralmente los cuadrados, hasta que las conexiones coincidan.

Las posiciones pueden distinguirse por medio de letras minúsculas a, b, c … y 0.

Válvula de 3 posiciones. Posición intermedia = Posición de reposo.

Por posición de reposo se entiende, en el caso de válvulas con dispositivo de reposición, p. ej., un muelle, aquella posición que las piezas móviles ocupan cuando la válvula no está conectada. Y se corresponde con el cuadrado donde están las conexiones.

El nº de vías es el nº de conexiones ó conducciones principales

La válvula se nombra por: el nº vías/posiciones

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Conductos de escape sin empalme de tubo (aire evacuado a la atmósfera). Triángulo directamente junto al símbolo.

Conductos de escape con empalme de tubo (aire evacuado a un punto de reunión). Triángulo ligeramente separado del símbolo.

Para evitar errores durante el montaje, los empalmes se identifican por medio de letras mayúsculas.(Figura 13) Rige lo siguiente:

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Tuberías o conductos de trabajo A, B, C …ó 2,4,6
Empalme de energía P ó 1
Salida de escape R, S, T ó 3,5,7.
Tuberías o conductos de pilotaje Z, Y, X , ó 12,14,16.

Accionamiento de las válvulas.- Puede ser de varios tipos:

Manuales.- Mediante acción directa del pie ó la mano podemos variar la posición de la válvula a través de pulsadores palancas ó pedales. (Figura 14).

Mecánicos.- La válvula no se acciona directamente, sino mediante la acción de resortes o rodillos de palpación. (Figura 15).

Eléctricos.- Funciona normalmente por medio de una señal eléctrica aplicada a un solenoide (electroimanes), llamándose electro- válvula. Se utilizan para accionar válvulas a distancia de una manera fácil y sencilla. (Figura 16)

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Neumáticos o hidráulicos.- Se acciona la válvula por la presencia de aire ó aceite a presión aplicados en sus extremos. (Figura17)

2.2.4 Actuador.

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El tipo de trabajo necesario a efectuar, así como la energía necesaria para realizar el mismo, determinan las características de los actuadores ( motor o cilindro) que deben ser utilizados. Es por ello por lo que solamente después de haber elegido el actuador pueden seleccionase el resto de componentes del sistema.

Todos ellos por efectos de una presión trasforman la energía del fluido en trabajo mecánico.

Las piezas esenciales de un cilindro son : el tubo, el pistón, un vástago y las juntas adecuadas.

En los cilindros de simple efecto la carrera solo es accionada hidráulicamente en un sentido, mientras que en los de doble efecto es en ambos sentidos.

2.2.5 clip_image070
Válvula de control de flujo ó reguladoras de caudal.

Básicamente existen dos tipos de reguladores de caudal que son: unidireccionales y bidireccionales, según regulen el flujo del fluido en un solo sentido o en los dos sentidos.

Existen tres métodos básicos para aplicar las válvulas reguladoras de caudal para controlar la velocidad de los actuadores: regulación a la entrada ( Fig. 18), regulación al salida ( Fig. 19) y regulación por substracción ( Fig. 20).

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2.2.6.- Válvula de reguladora de presión ó sobrepresión.

Las válvulas de control de presión realizan funciones tales como limitar la presión máxima de un sistema o regular la presión reducida en ciertas partes de un circuito, y otras actividades que implican cambios en la presión de trabajo. Su funcionamiento se basa en un equilibrio entre la presión y la fuerza de un muelle (Fig. 21), la mayoría son de infinitas posiciones que pueden ser reguladas mediante un tornillo de ajuste que regula la presión del muelle (que puede ser intercambiable en algunos fabricantes consiguiendo distintos rangos de presión) y por lo tanto la presión de taraje de la válvula.

clip_image078Los controles de presión se denominan generalmente según su función primaria Ej. Válvula de seguridad, válvula de secuencia, válvula de frenado, etc.

2.2.7 Accesorios (Tuberías. Acumulador hidráulico……).- En accesorios se incluyen el resto de componentes necesarios para el funcionamiento de la instalación hidráulica.

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El acumulador.- A diferencia de los gases, los fluidos utilizados en hidráulica no pueden ser comprimidos y almacenados para su utilización en cualquier tiempo o lugar. Para conseguir almacenar fluidos incompresibles bajo presión se utiliza el acumulador. Cuando el fluido hidráulico entra en la cámara del acumulador hace una de las tres cosas siguientes: comprime un muelle, comprime un gás ó eleva un peso. Cualquier tendencia que tenga la presión a disminuir hace que el elemento reaccione y obligue al liquido a salir. Los más utilizados son los de membrana ó vejiga ya que en su interior llevan una membrana o vejiga que separa el gas del fluido hidráulico. El funcionamiento es el siguiente en la vejiga se encuentra el gas a presión por la otra parte y ha través de una válvula entra el fluido hidráulico que comprime a la vejiga y al gas quedando el acumulador cargado (FIG 22). Las aplicaciones van desde la absorción de puntas de presión del sistema hasta el aumento de velocidad en ciertos periodos de trabajo de las máquinas. Las averías que suelen tener es la rotura de la vejiga y la mezcla del gas con el fluido hidráulico, así como la pérdida de presión del gas.

Tuberías.- Transportan el fluido hidráulico entre los diferentes componentes que constituyen la instalación. Los sistemas hidráulicos utilizan tres tipos de líneas de conducción: Tubos gas (el diámetro exterior va dado en pulgadas nominales), tubos milimétricos (el diámetro exterior va dado en pulgadas exactas o milímetros exactos) y mangueras flexibles.

Los dos primeros suelen ser tubos de acero estirado en frio sin soldadura y a los que se les ha aplicado algún tratamientos térmico para evitar la corrosión (generalmente pavonado). Las dimensiones de estas tuberías se encuentran normalizadas según DIN e ISO y se clasifican por su diámetro exterior y por el espesor de su pared ( para aguantar los distintos tipos de presión de los sistemas hidráulicos).

Mangueras flexibles (Figura 23).- Se utilizan para líneas hidráulicas sometidas a movimiento. La manguera se fabrica con capas de caucho sintético y trenzado de tejido o alambre, este último permite presiones más elevadas ( a mayor nº de capas aguantan más presión).La capa interna de la manguera debe ser compatible con el fluido utilizado.

Racores(Figura 23).- Son los elementos para unir estas tuberías entre sí y con los componentes hidráulicos.

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Acoplamientos rápidos.- Se utilizan cuando es necesario conectar y desconectar con mucha frecuencia un elemento de unión. Están compuestos por dos mitades, que acopladas entre si con la sola presión de las manos, quedan en posición de trabajo. Pueden unirse fácilmente mangueras flexibles para presiones de hasta 200bar.

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Filtros (Figura 24).- Los fluidos hidráulicos se mantienen limpios en el sistema debido, principalmente, a elementos tales como filtros y coladores. En algunos casos también se utilizan filtros magnéticos para captar las partículas de hierro que lleva el fluido. Ya que de no existir estos, se producen fallos en los componentes del sistema, así como, un mayor y más rápido deterioro de dicho fluido.

Manómetro (Figura 25).- Nos indica la presión del circuito, de esta forma podremos detectar cualquier anomalía en el mismo

Juntas herméticas (Figura 26).-Se instalan para evitar fugas del fluido en las partes mecánicas acopladas ya sean estáticas (válvulas) ó dinámicas (cilindros).Se fabrican en caucho sintético especial y se pueden clasificar en cuatro grandes categorías anillos tóricos, juntas en V(collarines), juntas de empaquetadura, y retenes con resorte de compresión, para presiones muy bajas y generalmente para piezas rotativas.

3 CIRCUITOS NEUMÁTICOS.

Por sus características hacen que el ámbito de aplicación sea también muy amplio.

Características de los circuitos neumáticos:

Poca presión

Gran rapidez de movimientos

Movimientos donde es preciso realizar poca fuerza

Poca precisión

Aplicaciones de los circuitos Neumáticos:

Industria alimentaría

Industria del automóvil

Industria del plástico.

Industria química y petroquímica

Industria de la madera

Industria mecánica y metalúrgica…..

3.1 EL AIRE EN LOS CIRCUITOS NEUMÁTICOS.

El aire con el que trabajamos en los circuitos, lo tomamos del ambiente que está compuesto por un 78% de Nitrógeno, un 21% de Oxigeno y además contiene otros gases como el dióxido de carbono, hidrógeno. . . . Aunque se procura tomar aire que sea lo más limpio posible siempre tiene impurezas y humedad por lo que antes de pasar al circuito debe prepararse adecuadamente.

El aire se comporta como un gas, ocupando todo el espacio disponible. Le afecta la temperatura (dilatándose bajo la acción del calor) y la presión.

3.1.1 Las leyes que se aplican en neumática son:

Ley de Boyle-Mariotte

A temperatura constante la presión por el volumen siempre es constante

P1 · V1 = P2 · V2 = P3 V3 = …

Ley de Gay Lussac

A presión constante, el volumen es directamente proporcional a su temperatura absoluta.

V2 / V1 = T2 / T1

  Ley de Charles

A volumen constante la presión absoluta es directamente proporcional a la temperatura absoluta. P1 / T1 = P2 / T2

Ecuación general de los gases

P1 · V1/ T1 = P2 · V2 / T2 = P3 V3 / T3 = cte

3.2 ELEMENTOS COMPONENTES DE LOS CIRCUITOS NEUNATICOS.

clip_image091La estructura de bloques correspondiente a una instalación neumática responde a siguiente esquema:

En ocasiones y al igual que en los circuitos hidráulicos el motor eléctrico se sustituye por un motor de combustión.

Al compresor con el tratamiento del aire comprimido se le llama central de aire comprimido

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3.2.1 COMPRESORES

Convierten la energía mecánica de un motor en potencial de aire comprimido.

TIPOS:

Alternativos (Pistón): Simple efecto ó doble efecto. (de una etapa o dos etapas)

Rotativos: De tornillo. De paletas….

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clip_image098Los Compresores de pistón se utilizan en aplicaciones donde las necesidades de aire comprimido no son muy frecuentes y además donde el horario de trabajo no suele superar la jornada laboral. consiste en uno o, más cilindros cuyos émbolos son movidos por un mecanismo biela-manivela, transformando el movimiento rotativo del motor de accionamiento en alternativo en los émbolos. Ha estos compresores se les suele dotar de deposito acumulador.

3.2.2 Refrigerador Posterior

Es un intercambiador de calor que se utiliza para enfriar el aire comprimido u otro gas.

clip_image101Pueden ser:

Aire-aire

Aire agua

.

3.2.3 DEPOSITO DE AIRE COMPRIMIDO (Funciones)

Almacenar aire

clip_image103Minimizar los arranques del compresor

Enfriamiento adicional del aire

Tiene: válvula de seguridad, manómetro y grifo de purga.

También posee:

Una tapa de inspección visual (Boca de hombre).

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Y una placa para el control de inspecciones por organismos autorizados (RAP-ITC-MIE-AP17)

3.2.4 SECADOR DE AIRE

Evita que entre en el circuito

neumático humedad y

destruya los componentes.

Pueden ser:

De adsorción.

Frigoríficos

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3.2.5 FILTROS:(FUNCIONES)

Eliminar partículas sólidas del aire o del desgaste del propio compresor.

Eliminar aceite ó/y vapores de aceite

Eliminar condensados de agua …

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3.2.6 Red de distribución de aire.

Puede ser de distintos tipos:

Con cobre

Con hierro galvanizado

PVC ó nylon

Sistema de conexión

Racores rápidos.

Existen diagramas y reglas de cálculo de instalaciones y normalmente se toma com velocidad del aire por las tuberías es de (v=6-10m/s).

3.2.7 clip_image114 Equipo tratamiento aire o unidad de mantenimiento

Una unidad de mantenimiento debe preparar el aire antes de su utilización en los automatismos neumáticos, encargándose de :

Eliminar impurezas

Eliminar humedad

Lubricar el aire

Ajustar la presión de trabajo

Por otra parte la unidad de mantenimiento está formada por:

Filtro.- impide que las partículas sólidas así como la posible humedad entren en el circuito y destruyan los componentes neumáticos

Regulador .- Tiene por misión mantener la presión de salida (trabajo)

Lubricador.- Inyecta una cantidad lógica de aceite en el aire comprimido necesario para lubricar las partes móviles de los componentes y herramientas neumáticas. Aunque cada vez hay mas componentes que no necesitan engrase ya que poseen un engrase de por vida.

3.2.8 Otras Válvulas

Además de los elementos que ya hemos visto en el apartado de hidráulica hay que tener otros en cuenta y que utilizamos sobre todo en neumática.

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4 SIMBOLOGIA DE LOS CIRCUITOS.

Para realizar la representacion simbolica del esquema de la figura 4, se emplean una serie de simbolos normalizados ( algunos de ellos ya los hemos visto anteriormente) interconectados, donde cada simbolo, se corresponde con cada uno de los componentes del sistema. De esta manera podemos simplificar y facilitar la representacion del circuito, el cual quedaria como en la figura 27. Para la representacion de los circuitos neumaticos se emplean los mismos simbolos con ligeras diferencias.

clip_image124La interpretación del esquema es la siguiente : La bomba B (1) accionada por el motor M impulsa el aceite que se encuenta en el deposito D (2), a través de las tuberias hacia el distribuidor D1 (3), con el cual dirijmos el aceite hacia una entrada u otra del actuador C1 (5) haciendole retroceder o avanzar. La valvula RP (6) se utiliza para limitar la presión del circuito al taraje de dicha valvula. Y la valvula RC (4) se utiliza para ajustar la velocidad del actuador.

4.1 Esquemas neumáticos e hidráulicos. Normas de representación

El esquema es el plano de representación de todos los elementos, con los conductos y líneas de conexión y con los símbolos normalizados. De todas formas este debe dibujarse lo mas claro posible para su fácil interpretación

Cuando el esquema es sencillo los componentes se dibujan en la posición real.

Cuando el esquema tiene muchos elementos se dibuja en posición indicada ó representación esquemática.

Normas de representación:

Los elementos de trabajo siempre en posición horizontal.

Los finales de carrera no se colocan en su posición normal sino debajo de los órganos de gobierno (Válvulas de control) y en el lugar que ocupan una línea con el indicador

Los circuitos se dibujan generalmente en la posición de partida o sea los elementos no están accionados, si alguno esta accionado se indica con una flecha.

Para evitar loa errores se numeran los distintos elementos siguiendo un orden: Fig. 27 bis

Los elementos de trabajo numerados bajo este orden :

1.0, 2.0, 3.0, …………..

A, B, C,………………….

Los órganos de gobierno (válvulas de control de dirección:

1.1, 2.1, 3.1 ………………..(1ª letra indica el grupo al que pertenece ; y la segunda letra “1” indica que es un órgano de gobierno).

A+A-,B+B-,…………….

Los captadores de información

1.2,1.4,1.6,…………..1.3,1.5,1.7,………….(1ª cifra indica el grupo; 2ª cifra: Par = influye en salida de vástago, Impar = influyen en entrada de vástago)

a0, a1, b0, b1, ………………….

Con 0.1, 0.2, 0.3……………. elementos auxiliares

Con 1.02, 1.03,………………elementos de regulación

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Fig. 27 bis

5 ELEMENTOS DE CONTROL Y AUTOMATISMOS

Una vez que hemos visto los diferentes elementos que componen un circuito hidráulico su funcionamiento y conexión, debemos tener en cuenta una serie de elementos para el correcto funcionamiento del circuito como son:

Regular la velocidad y presión del líquido.

Velocidad de los elementos de trabajo.

Secuencia de movimientos de los diferentes elementos.

Automatismos, para sustituir o simplificar los elementos de control manuales

A continuación vamos a ver que los elementos nos van a permitir realizar estos procesos.

5.1 CONTROLES SENCILLOS.

Tenemos varios tipos de controles sencillos:

Control a voluntad.- Pueder ser directo (Figura 28 y 29) o indirecto (Figura 30).

clip_image129La figura 27 representa: “ el mando directo ( A traves de D1) de un cilindro de simple efecto”. Es direcro por que accinando directamente el distribuidor D1 controlamos el movimiento del actuador.

La figura 29 representa: “ el mando directo ( A traves de D2) de un cilindro de doble efecto.

La figura 30 representa: “ el mando indirecto ( A traves de D4 que pilota a D3) de un cilindro de doble efecto.

clip_image132La figura 31 representa: “ el mando indirecto de un cilindro neumático de doble efecto con dos pulsadores P1 y P2”.

Control dependiente del recorrido.- El control de avance del cilindro C1 se realiza a través de las señales que envian los dos finales de carrera FC1 y FC2.( Figura 32).

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Control dependiente del tiempo.- El control del tiempo de avance y retroceso se hace atraves de los reguladores de caudal RC1 y RC2 que retardan la señal aplicada a las valvulas V1 y V2 que accionan al distribuidor principal (Figura 33).

5.2 CONTROLES AUTOMÁTICOS Y SEMIAUTOMÁTICOS.

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Control semiautomatico.- Son circuitos, que al dar un al dar un impulso de mando, el cilindro sale regresando seguidamente a su posición inicial. Para repetir el ciclo, es necesario pulsar de nuevo dicho impulso.

Esta maniobra se consigue de por diferentes sistemas:

Retorno automático por medio de un final de carrera. Es similar al control dependiente del recorrido visto en el punto anterior (Figura 32). El retroceso se efectúa al accionar (cuando el cilindro llega al final de la carrera) la válvula final de carrera FC1 y al pilotar este al distribuidor D1 (Figura 34).

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Retorno automático mediante temporización. Es un sistema de retorno sin contacto mecánico, basado en el control del tiempo por medio de una temporización regulable. En la (figura 35) podemos ver un esquema de retorno mediante temporización.

Al poner en marcha el sistema, por medio del pulsador (P1); el distribuidor (D1) se desplaza, suministrando aire al cilindro haciéndole avanzar hacia su posición de avance (A+), al mismo tiempo va llegando aire al temporizador T1, el acumulador (del temporizador) se va llenando lo suficiente para lograr presión necesaria para desplazar el distribuidor (P2) suministrando presión a la válvula distribuidora (D1) y efectuando el cilindro la carrera de retroceso (A-). El control del tiempo efectuamos por medio del estrangulador unidireccional del temporizador.

Retorno automático mediante válvula de secuencia. Es un sistema análogo al anterior, prerregulado en este caso mediante una válvula de secuencia que sustituye al temporizador.

Control automatico.- Son circuitos en los que una vez puestos en marcha los ciclos se van repitiendo interrumpidamente mientras no actúe el pulsador de paro.

En la figura 36 tenemos uno de los métodos más empleados en la cual se pueden apreciar dos finales de carrera, que tienen por objeto suministrar presión a uno u otro lado de la válvula pilotada para ir provocando alternativamente el desplazamiento de émbolo (A+ A- A+ A- ……….).

5.3 CONTROLES CON ELECTROHIDRÁULICA Ó ELECTRONEUMÁTICA.

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Este tipo de controles son muy necesarios en la actualidad debido al gran auge que ha experimentado la automatización industrial sobre todo debido al uso de los autómatas programables ( PLC´s).

En este tipo de controles, pueden existir uno o varios actuadores que realizan todos los movimientos de la máquina. Los esquemas constan básicamente de dos tipos de circuitos:

Uno que denominamos esquema de fuerza (Fig. 37 a) (donde se encuentran los componentes hidráulicos, neumáticos, electrohidráulicos o electroneumáticos).

Otro que denominamos esquema de mando (Fig. 37 b) compuesto básicamente de simbología eléctrica.

Figura 29

6 DISEÑO DE CIRCUITOS NEUMÁTICOS-HIDRÁULICOS

6.1 CONOCIMIENTOS PREVIOS

6.1.1 Secuencia de movimientos

Representa una primera idea del orden de movimiento de los Actuadores y la mayoría de las veces se obtiene del enunciado del problema: Ej.: A+B+B-A-

6.1.2 Diagrama de movimientos

Representa con mas detalle el movimiento de los Actuadores y puede ser de dos tipos:

Diagrama espacio-fase

Diagrama espacio-tiempo.

6.1.2.1 Diagrama espacio fase

Representa el ciclo de trabajo de un elemento, ó más elementos, en función de las fases respectivas Fig.38

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Ejemplo de lectura del diagrama: El cilindro A empieza ha salir(avanza)en la fase 1, para estar completamente fuera en la fase 2, a partir de esta fase y hasta la fase 4 permanece fuera, y ha partir de esta ultima empieza ha retraerse (retroceder), cosa que hace totalmente una vez alcanzada la fase 5.

Recomendaciones para el trazado del diagrama:

Fases representadas horizontalmente y distancias iguales

Espacio no se representa a escala sino idéntico para todos los cilindros

Numeración de las fases a voluntad del individuo

Designación del estado es libre atrás “0” adelante “1”.

Designación del actuador a la izquierda del diagrama puede ser: Cilindro A, A, ó 1.0

6.1.2.2 Diagrama espacio tiempo

El espacio de un actuador se representa en función del tiempo. Aquí se representa el tiempo a escala representando la unión entre los distintos actuadores.

Se representa en este diagrama con mas claridad las interferencias y las distintas velocidades de trabajo fig 39.

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6.1.3 Diagramas de señales de mando

Son diagramas que van unidos a los de espacio fase.

Tienen por objeto detectar señales de presión indeseables en los pilotajes de los distribuidores de los actuadores o elementos de trabajo Fig. 40

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En la figura 40 podemos ver una coincidencia de señales fases 1 y 3.

Para eliminar estas coincidencias se utilizan distintos métodos de diseño:

Tabla de verdad: se emplea en automatismos de pequeña complejidad y pocas variables de entrada se plantea la tabla de verdad y por álgebra de Boole, se obtienen las ecuaciones lógicas.

Método razonado; Clasifica la variables de entrada como creadoras (Ci) y anuladoras (Ai) de cada salida y aplicamos la siguiente ecuación para obtener las funciones lógicas:

F= (Ā1.Ā2…..)(C1+C2+……)

Diagrama de ciclos y estados; Se emplea en automatismos de media y gran complejidad. Y se hace uso del método razonado y de la función memoria:

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Los tipos de implementación:

Puertas y circuitos lógicos

Contactores relés y pulsadores

Elementos neumáticos ó hidráulicos

Método cascada

Método de las memorias paso a paso

Grafcet ……

6.2 MÉTODO DE RESOLUCIÓN DE SECUENCIAS NEUMÁTICAS POR ELSISTEMA DE CASCADA

v SE UTILIZA :El método para eliminar señales permanentes que se puedan solapar Todo ello mediante una válvula de selección nos va ha poner a escape todas estas señales.

v CONSISTE: En dividir una secuencia en grupos , cada uno de los cuales va ha tener una línea de suministro de aire procedente de un válvula de selección de grupo.

6.2.1 DESARROLLO DEL METODO

PUNTO 1. Se analiza la secuencia para ver si hay incompatibilidades. Si las hay, debemos marcarlas y dividir las secuencias en grupos, de modo que en cada grupo no se repitan letras. Esto quiere decir que un cilindro debe efectuar su recorrido solamente en un sentido en cada grupo. Ejemplo:

S1 = A+ B+ / B- A-

I grupo II grupo

S2 = A+ B+ / B- C+ / C- A-

I grupo II grupo III grupo

Se designa cada uno de los grupos así obtenidos con cifras romanas.

Repartir la secuencia en el mínimo número de grupos posibles.

Pruébese a formar grupos empezando desde el principio; después, hacia atrás desde el final.

Recuérdese que un ciclo se repite, y, por tanto, una vez establecida la secuencia y dividida en grupos, la última parte de la misma es posible reagruparla con la primera, si no existe ninguna letra en común, lo que originaria incompatibilidad. Ejemplo:

S3 = A+ D- / D+C+B+A- / B-C-

I grupo II grupo III grupo

Nueva secuencia organizada:

S´3 = B- C- A+ D-,/ D+ C+ B+ A-

I grupo II grupo

Para hacer la secuencia S´3 tenemos que seguir la secuencia S3, pero con tantas líneas de presión como indica S´3. Ahorramos así una línea de presión, y seguimos teniendo la misma secuencia.

PUNTO 2. Se dibujan tantos cilindros como letras distintas hay en la secuencia.

PUNTO 3. Se dibujan los distribuidores de potencia que han de gobernar a cada cilindro.

PUNTO 4. Se trazarán y dibujarán tantas líneas de presión como grupos hayamos obtenido en la secuencia. Ejemplo:

S4 = A+ / A- B+ / B-

I grupo II grupo III grupo .

Nueva secuencia organizada (dibujamos dos líneas de presión Fig. 41) :

S´4. = B-, A+,/ A-, B+

I grupo II grupo

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Figura 41

PUNTO 5. Se toman tantos distribuidores 5/2 (auxiliares) como grupos haya en la secuencia del sistema menos 1, y se conectan en cascada, según el esquema indicado a continuación. Podemos observar en la figura 42 que sólo una línea de presión se encuentra activada en todo momento.

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Figura 42

PUNTO 6. Se colocarán tantos finales de carrera como movimientos haya en la secuencia, es decir tantas veces como aparezcan sus letras, salvo en el caso que estén trabajando al mismo tiempo varios dispositivos, que sólo será incorporado el último de los mismos o bien una combinación de todos que trabajen simultáneamente.

Cada fin de carrera se alimenta de la línea que corresponde al grupo en que está incluido dentro de la de la secuencia.

Ø Dentro de cada grupo, los finales de carrera pilotan a los distribuidores de potencia del cilindro que le sigue en la secuencia.

La salida del final de carrera correspondiente al ultimo movimiento designado por cada grupo, pilota al distribuidor auxiliar o de línea (válvula 5/2) poniendo en escape su línea de presión y cambiando de grupo.

PUNTO 7.- El primer movimiento de cada grupo es ordenado directamente por la línea de presión correspondiente. Para evitar que el ciclo se repita indefinidamente, intercalamos una válvula marcha paro antes de que llegue la orden de iniciar el primer movimiento.

PUNTO 8 .- También se tendrán que añadir tantas válvulas selectoras de circuito como veces se repitan letras dentro de una secuencia con el mismo signo.

ES IMPORTANTE RECORDAR que 1as líneas de grupo o trabajo no tienen presión alguna, excepto cuando el grupo ha sido previamente seleccionado y se encuentra en funcionamiento, o lo que es lo mismo, que nunca pueden estar dos grupos simultáneamente con presión de aire.

Ejemplo de cascada válvulas neumáticas (posición programa simulador circuitos):

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Ejemplo cascada con válvulas eléctricas:

Hemos de tener en cuenta, que la obtención de grupos es exactamente igual, con la diferencia, de que cada grupo lo podemos llamar por el nombre de un relé ó contactor.

Por otra parte, para la activación y desactivación de los grupos, así como, para la obtención de las ecuaciones lógicas, utilizaremos el método razonado y la función memoria .

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ESQUEMA DE POTENCIA

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Con un contactor ó relé para cada grupo seria:

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6.3 GRAFCET (Grafico Funcional de Control de Etapas y Transiciones)

Es un diagrama que permite describir de forma grafica la evolución de un proceso que se desea automatizar indicando las acciones que hay que realizar sobre el proceso y que informaciones provocan. El proceso se descompone en etapas que serán activadas de forma secuencial.

Para la representación mediante grafcet se emplean etapas y transiciones:

ETAPAS representan las acciones a realizar sobre el proceso. Se representan mediante cuadrados y un numero, que indica el orden que ocupa la etapa dentro del grafcet. La etapa inicial se representa con un doble cuadrado. Las acciones que lleva asociada cada etapa se representan mediante un rectángulo, donde se indícale tipo de acción a realizar una etapa puede llevar asociadas varias acciones, cada una representada en un rectángulo yuxtapuesto. Al ser un proceso secuencial se caracteriza porque una acción determinada proviene del resultado de la acción anterior.

 
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El proceso se descompone en una serie de acciones que se activan una tras otra, por tanto, tendrá que existir una condición que se ha de cumplir para pasar de una etapa a otra. Se le denomina condición de transición o simplemente transición, y se representa por un segmento horizontal. A cada una se le asocia una condición que se escribe al lado. La condición de transición pueden ser una o más variables de las que intervienen en el proceso. por ejemplo: una señal de un final de carrera. la activación de un motor. etc.

– Las etapas se unen a las transiciones y viceversa mediante segmentos denominados arcos. Al aplicar GRAFCET se deben tener en cuenta las siguientes reglas:

El proceso se descompone en etapas que se activan de manera secuencial.

Cada etapa lleva asociada una o mas acciones. Estás acciones sólo están  activas cuando la etapa está activa.

Una etapa se hace activa cuando la precedente lo está 1 la condición de transición entre ambas etapas ha sido activada.

La activación de una condición de transición implica la activación de la etapa siguiente la desactivación de la precedente.

La etapa inicial tiene que ser activada antes de que se inicie el ciclo de GRAFCET. Un ciclo está formado por todas las etapas posteriores a la etapa inicial.

Ejemplo

Realizar el gráfico grafcet, correspondiente a un circuito neumático, para el accionamiento de un cilindro de doble efecto, mediante una válvula 5/2 biestable accionada por palanca y con enclavamiento

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7 CONCLUSIÓN

Con el desarrollo del tema podemos llegar a la conclusión de que ambos circuitos son muy parecidos, la mayoría de los componentes realizan funciones iguales o similares, coincidiendo a veces la simbología, pero los componentes de los circuitos hidráulicos son mas robustos (y tienen un valor económico mayor) que los neumáticos ya que han de trabajar a mayores presiones.

A continuación vamos a comparar un circuito hidráulico con uno neumático, para que, a la hora de elegir un circuito hidráulico o neumático, podamos decantarnos entre uno de ellos.

El aire comprimido es barato y está disponible en todas partes en cantidades ilimitadas, y el aceite hidráulico es caro.

No es necesario devolver el aire comprimido a su lugar de origen, el aceite si necesita tuberías de retorno.

Debido a que el aire es compresible, es difícil obtener velocidades de avance uniformes, el aceite es incompresible por lo que si se obtienen velocidades uniformes y precisas.

En c. hidráulicos se pueden lograr esfuerzos altos con cilindros pequeños, en c. neumáticos se necesitan cilindros de diámetro más grande.

En c. neumáticos se consiguen velocidades de avance más altas que en los hidráulicos.

El aire comprimido es más limpio que el aceite, pero necesita más preparación para su utilización.

8 BIBLIOGRAFIA.

  • Manual de oleohidráulica Ed. Blume
  • Revista Fluidos Ed. Publica S. A.
  • Oleohidráulica E. Carnicer Ed. Paraninfo
  • Manual de Oleohidráulica de Festo
  • Manual de Oleohidráulica de Norgren Martonair
  • Internet

Neumática e Hidráulica

Neumática: Conceptos básicos y aplicaciones

Principios de Neumática e Hidráulica

FESTO

OMRON

MANNESMANN

SMC

BOSCH